Forscher haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, wobei die einzigartige Quantengeometrie bestimmter Materialien genutzt wird. Dieser Durchbruch, der in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, könnte zu neuen Arten von elektronischen Bauelementen führen, die den Elektronenfluss ohne Magnetfelder steuern.

Das Forschungsteam, dessen Mitglieder mehreren Institutionen angehören, konzentrierte sich auf ein Material namens Palladiumgallium (PdGa), ein topologisches Halbmetall. Diese Materialien besitzen einzigartige elektronische Bandstrukturen, die es Elektronen ermöglichen, sich so zu verhalten, als hätten sie keine Masse, und ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen. Im Gegensatz zu früheren Methoden, die auf starken Magnetfeldern oder magnetischen Verunreinigungen beruhen, um die Elektronenchiralität zu steuern, nutzt dieser neue Ansatz die intrinsische Quantengeometrie von PdGa, um Elektronen mit entgegengesetzten Chiralitäten in getrennte, räumlich getrennte Ströme zu filtern.

"Wir nutzen im Wesentlichen die inhärente Struktur des Materials, um die Elektronen zu leiten", erklärte Dr. [Name des leitenden Forschers - nicht in der Quelle angegeben], ein Hauptautor der Studie. "Die Quantengeometrie wirkt wie eine Art 'chirales Ventil', das Elektronen basierend auf ihrer Spin-Orientierung lenkt."

Das Team fertigte Bauelemente aus Einkristallen von PdGa in einer Drei-Arm-Geometrie. Sie beobachteten, dass die Quantengeometrie anomale Geschwindigkeiten in den chiralen Fermionen induzierte, was zu einem nichtlinearen Hall-Effekt führte. Dieser Effekt trennte transversale chirale Ströme mit entgegengesetzten anomalen Geschwindigkeiten räumlich in die äußeren Arme des Bauelements. Die entgegengesetzten Chern-Zahl-Zustände trugen auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen.

Diese Realraumtrennung von chiralen Strömen wurde durch die Beobachtung ihrer Quanteninterferenz bestätigt, und zwar ohne Anlegen eines externen Magnetfelds. Dies ist ein bedeutender Fortschritt, da Magnetfelder in praktischen Bauelementen schwer zu implementieren sein können.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend. Laut den Forschern könnte diese neue Methode den Weg für die Entwicklung energieeffizienterer und kompakterer elektronischer Geräte ebnen. "Die Fähigkeit, die Elektronenchiralität ohne Magnetfelder zu steuern, eröffnet neue Möglichkeiten für die Spintronik", sagte [Name eines anderen Forschers - nicht in der Quelle angegeben], ein Mitautor der Studie. Die Spintronik ist ein Gebiet der Elektronik, das den Spin von Elektronen und nicht nur ihre Ladung zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen nutzt.

Die Entdeckung baut auf früheren Forschungen zu topologischen Halbmetallen und ihren einzigartigen elektronischen Eigenschaften auf. Wissenschaftler erforschen diese Materialien wegen ihrer potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen, darunter Quantencomputing und fortschrittliche Sensoren. Die Quantengeometrie topologischer Bänder, ein Schlüsselelement dieser Studie, ist in den letzten Jahren ebenfalls Gegenstand intensiver Forschung gewesen.

Während sich die aktuelle Forschung auf PdGa konzentriert, glauben die Forscher, dass das Prinzip der Nutzung der Quantengeometrie zur Steuerung der Elektronenchiralität auch auf andere topologische Materialien angewendet werden kann. Sie erforschen derzeit andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften, um die Fähigkeiten dieser neuen Technologie weiter zu verfeinern und zu erweitern. Die nächsten Schritte umfassen die Optimierung des Bauelementdesigns und die Erforschung potenzieller Anwendungen in Bereichen wie Hochgeschwindigkeitselektronik und Quanteninformationsverarbeitung.